Đề tài: Thiết kế hệ thống tự
động đo, điều khiển và hiển
thị nhiệt độ khí sấy nông
sản dạng hạt sử dụng vi
điều khiển họ 8051
nhng các thiết bị này cồng kềnh, nhiệt độ sấy không ổn định đồng thời không
thể tự động thay đổi đợc nhiệt độ sấy khi cần thiết vì mỗi một loại hạt ta cần
chọn nhiệt độ sấy thích hợp nhằm đạt năng suất cao, chất lợng tốt và tiết

kiệm năng lợng. Đặc biệt là nông sản dạng hạt mà làm hạt giống thì yêu cầu
về độ ổn định nhiệt độ càng cao trong suốt quá trình sấy. Mặt khác để dễ
dàng cho ngời sử dụng trong việc theo dõi nhiệt độ sấy cũng nh thay đổi
nhiệt độ sấy thì nhiệt độ sấy và nhiệt độ đặt cần phải đợc hiển thị. Ngoài ra
hệ thống sấy còn phải có giá thành rẻ mới phù hợp với nền kinh tế nông
nghiệp nớc ta hiện nay.
Nắm bắt đợc yêu cầu đó chúng tôi tiến hành nghiên cứu và phát triển
đề tài: Thiết kế hệ thống tự động đo, điều khiển và hiển thị nhiệt độ khí sấy
nông sản dạng hạt sử dụng vi điều khiển họ 8051.
Đề tài gồm sáu chơng:
Chơng 1: Tổng quan chung về sấy nông sản dạng hạt.
Chơng 2: Họ vi điều khiển 8051.
Chơng 3: Thiết kế hệ thống tự động điều khiển nhiệt độ khí sấy, đo
và hiển thị trên LCD sử dụng vi điều khiển AT89C52.
Chơng 4: Tổng hợp hệ thống điều chỉnh nhiệt độ khí sấy.
Chơng 5: Phần lập trình.
Chơng 6: Kết luận và đề nghị.

k
: áp suất riêng phần của hơi nớc trong không khí
P: Động lực của quá trình sấy
Trị số P càng lớn thì lợng ẩm chuyển sang môi trờng xung quanh càng
mạch và quá trình sấy đợc thực hiện nhanh hơn.
Nh vậy, quá trình bốc hơi nớc ra không khí xung quanh phụ thuộc vào
cả P
m
và P
k
, trong đó P
m
phụ thuộc vào nhiệt độ sấy, độ ẩm ban đầu của vật
liệu và tính chất liên kết của nớc trong vật liệu, còn P
k
phụ thuộc chủ yếu vào
lợng hơi nớc có mặt trong không khí.
Trong vật liệu ẩm nớc tồn tại ở hai trạng thái: liên kết và tự do. ở cả hai
dạng ẩm đó, nớc đều có thể khuếch tán và bốc hơi ra không khí. Nớc liên
kết do đợc giữ bởi lực liên kết hoá học rất lớn nên rất khó bay hơi. Nớc này
chỉ bay hơi khi vật liệu đợc đốt nóng ở nhiệt độ cao và trong quá trình bay
hơi thờng gây nên sự biến đổi cấu trúc phân tử của vật liệu.
Do tính chất hút, nhả ẩm của vật liệu trong không khí nên giữa độ ẩm trong
không khí và trong vật liệu luôn có quá trình cân bằng động:

Nếu P
m
>P
k
thì lợng ẩm trên bề mặt sản phẩm bốc hơi vào trong không

t
s
F
W
U =
hay
t
s
G
W
U =

U
s
- Tốc độ sấy, kg/m
2
.h hay (kg/kg.h).
W - Lợng hơi nớc bốc hơi từ bề mặt vật liệu có diện tích F(m
2
) hay từ
G(kg) vật liệu trong thời gian t(h).
Khi tốc độ sấy cao, nghĩa là thời gian làm khô vật liệu ngắn, năng suất
thiết bị sấy cao.
Cho tới nay vẫn cha có phơng pháp hoàn chỉnh để tính toán lựa chọn tốc
độ sấy, vì nó chịu ảnh hởng của rất nhiều yếu tố biến đổi trong quá trình sấy.
Ngời ta chỉ có thể tính toán tơng đối chính xác trên cơ sở các đờng cong
sấy đợc vẽ theo kết quả thực nghiệm cho từng loại vật liệu trong những điều

kiện nhất định nh: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ chuyển động của tác nhân sấy, bề
dày của vật liệu sấy Mặc dù vậy quy luật thay đổi nhiệt , ẩm của phần lớn

bề mặt vật liệu để bốc hơi tơng ứng với lợng ẩm đã bốc hơi trên bề mặt.
Giai đoạn này chủ yếu làm tách lợng nớc tự do trong vật liệu, nớc bay hơi
ra khỏi bề mặt tơng tự nh khi bay hơi từ mặt nớc tự do.
Giai đoạn cuối ứng với thời gian t
2
. ở giai đoạn này tốc độ sấy giảm, độ ẩm
của vật liệu cũng giảm dần (đoạn CD), trong khi đó nhiệt độ vật liệu tăng dần.
Giai đoạn này diễn ra cho đến khi vật liệu có độ ẩm cân bằng (ứng với điểm
D) thì tốc độ sấy bằng 0, quá trình sấy dừng lại.
Nguyên nhân làm cho vận tốc sấy giảm là do vật liệu đã khô hơn, tốc độ
khuếch tán ẩm trong vật liệu nhỏ hơn tốc độ bay hơi nớc trên bề mặt do phải
khắc phục trở lực khuếch tán, đồng thời trên bề mặt vật liệu đợc phủ một lớp
màng cứng làm cản trở việc thoát ẩm. Cuối giai đoạn này, lợng ẩm liên kết
bền nhất bắt đầu đợc tách ra. Nhiệt cung cấp một phần để nớc tiếp tục bốc
hơi, một phần để vật liệu tiếp tục nóng lên. Nhiệt độ vật liệu sấy đợc tăng lên
cho đến khi vật liệu đạt đợc độ ẩm cân bằng thì nhiệt độ vật liệu bằng nhiệt
độ tác nhân sấy (tơng ứng với điểm E). Vì vậy, ở giai đoạn này cần giữ nhiệt
độ tác nhân sấy không vợt quá nhiệt độ cho phép của vật liệu.
Trong quá trình sấy khô sản phẩm, các tính chất sinh học, lý hoá, cấu trúc
cơ học và các tính chất khác của sản phẩm cần phải đợc giữ nguyên hoặc
thay đổi rất ít, bởi vì những tính chất này có ý nghĩa quan trọng, xác định chỉ
tiêu phẩm chất của nó.

Để đạt đợc những yêu cầu trên cần phải thực hiện đúng chế độ sấy, nghĩa
là phải đảm bảo đợc giá trị thích hợp về nhiệt độ, thời gian và tốc độ giảm
ẩm đối với mỗi loại vật liệu và không đợc quá giới hạn cho phép. Vì vậy
trong quá trình sấy cần chú ý một số đặc điểm sau:
Nhiệt độ sấy cho phép là nhiệt độ tối đa cha làm ảnh hởng tới chất lợng
của nó. Nếu nhiệt độ cao các thành phần dinh dỡng có trong hạt bị biến đổi.
Protein trong hạt bị ngng tụ, các chất bột bị hồ hoá, dầu bị oxy hoá , dẫn

clorua, axit sunfuric, silicagen, ) và phơng pháp nhiệt (tách ẩm trong vật

liệu sang dạng hơi nhờ có tác dụng của nhiệt). Phơng pháp tách ẩm bằng cơ
học đơn giản và rẻ tiền nhất nhng khó có thể tách hết đợc lợng ẩm đạt yêu
cầu bảo quản và thờng làm biến dạng sản phẩm. Sấy bằng hoá lý là phơng
pháp rất phức tạp, tốn kém và phải dùng các chất hấp thụ tơng đối đắt tiền.
Vì vậy trong thực tế sản xuất phơng pháp sấy bằng nhiệt đợc áp dụng có
hiệu quả nhất.
Sấy bằng nhiệt đợc chia làm 2 phơng pháp : sấy tự nhiên và sấy nhân
tạo.
1.1.2.1. Sấy tự nhiên.
Là phơng pháp làm khô đơn giản nhất, bao gồm hong gió tự nhiên và phơi
nắng.
* Hong gió tự nhiên thờng áp dụng cho trờng hợp sản phẩm mới thu
hoạch có độ ẩm cao với khối lợng không lớn. Do có độ ẩm cao nên áp suất
hơi nớc trên bề mặt sản phẩm lớn hơn so với áp suất hơi nớc riêng phần
trong không khí làm cho nớc trong sản phẩm bốc hơi ra bên ngoài. Thời tiết
càng khô ráo (áp suất hơi nớc trong không khí càng thấp) thì tốc độ bay hơi
nớc càng mạnh và ngợc lại. Vì vậy khi độ ẩm tơng đối của không khí quá
lớn đặc biệt khi sơng mù thì việc hong gió sẽ không có hiệu quả.
Phơng pháp này có u điểm là đơn giản nhng tốc độ bay hơi chậm, thời
gian kéo dài và khó giảm đợc độ ẩm tới mức cần thiết để bảo quản. Do đó
phơng pháp này chỉ đợc áp dụng để làm giảm ẩm sơ bộ cho sản phẩm mới
thu hoạch khi cha kịp phơi sấy để tránh sẩy ra thối mốc hay mọc mầm.
* Phơi nắng là phơng pháp sấy tự nhiên lợi dụng nhiệt bức xạ của mặt trời
để làm khô sản phẩm. Nguyên lý của ph
ơng pháp sấy bằng ánh nắng mặt trời
là sản phẩm hấp thụ năng lợng bức xạ của các tia mặt trời làm tăng nhiệt độ
và áp suất hơi trên bề mặt do đó sảy ra quá trình bốc hơi nớc từ hạt vào
không khí làm hạt khô dần.

lợng sẽ thuận lợi vì chúng ta sẵn có hay có thể mua đợc với giá rẻ, chính
những phế thải trong sản xuất này giúp đẩy nhanh quá trình sản xuất và hạ giá
hành sản phẩm của nông sản khi sấy. Với những yếu tố thuận lợi nh trên
Khâu cấp
nhiệt
Khâu tạo áp
(
q
u
ạ
t
g
ió)
Buồng
sấ
y

Bộ phận
làm sạch
và hoà trộn
hỗn hợp

chúng ta có thể chọn làm nguồn năng lợng sấy nhng cũng không thể đem
áp dụng ngay đợc mà phải xét đến tính kỹ thuật, xa hơn là tác động tới môi
trờng, do có nhợc điểm là không thể đảm bảo khói bụi trong các tác nhân
sấy, hiệu suất nhiệt không cao, khó khăn trong việc điều chỉnh nhiệt độ sấy,
gây ảnh hởng xấu đến chất lợng nông sản.
Ta cũng có thể sử dụng than bùn hoặc Angtraxit làm nguồn năng lợng.
Nó có u điểm nổi bật hơn so với sử dụng phế thải nông công nghiệp nh ít
bụi hơn, dễ dàng cho việc lọc bụi và hoà trộn với không khí sạch đi vào buồng

Không khí đợc thổi theo chiều dọc trục trục cánh quạt. Đây là loại
quạt có miền áp suất điều tiết nhỏ, thờng đợc dùng cho các loại máy sấy cỡ
vừa và nhỏ.
*Buồng sấy.
Buồng sấy chính là nơi diễn ra quá trình sấy hay quá trình trao đổi nhiệt
ẩm giữa khí sấy với nông sản. Tuỳ theo nguyên tắc hoạt động mà buồng sấy
có hệ thống các kênh dẫn khí phân phối và làm đều dòng khí sấy thổi qua hạt
sấy.
1.1.3.2. Tính chất chung của vật liệu sấy.
Để qúa trình sấy đạt hiệu quả cao, không làm giảm chất lợng của nông
sản sau khi sấy ta cần tìm hiểu các tính chất chung làm ảnh hởng đến quá
trình sấy của hạt .
* Sự hô hấp của nông sản dạng hạt.
Nông sản dạng hạt có tính chất nh một cơ thể sống, ở trạng thái độ ẩm
cao, nhiệt độ môi trờng lớn, hạt sẽ hô hấp mạnh. Quá trình này diễn ra làm
ôxi hoá các chất hữu cơ trong hạt và sinh ra nhiệt, làm hạt bị nóng lên, phôi sẽ
phát triển thành hạt mầm. Kết quả của quá trình hô hấp hạt là giảm khối
lợng, chất lợng của hạt, thậm chí hạt có thể hỏng hoàn toàn. Vì vậy không
những sau khi thu hoạch về cần sấy khô ngay hạt mà trong quá trình bảo quản
cũng cần thờng xuyên theo dõi nhiệt độ nơi bảo quản và tiến hành sấy khô
kịp thời để làm ngừng sự hô hấp của hạt. Đại lợng đặ trng cho sự hô hấp của
hạt là cờng độ hô hấp.
* Độ ẩm của hạt.

Khi hạt có độ ẩm dới độ ẩm bảo quản thì cờng độ hô hấp không đáng
kể. Khi độ ẩm tăng thì cờng độ hô hấp cũng tăng dần. Độ ẩm hạt tăng đến
một giới hạn nhất định thì cờng độ hô hấp đột nhiên tăng lên. Sự tăng đột
biến cờng độ hô hấp là do quá trình sinh học trong sản phẩm biểu hiện là đã
xuất hiện lợng nớc tự do trong các tế bào của hạt. Độ ẩm ứng với tế bào hạt
xuất hiện lợng nớc tự do đợc gọi là độ ẩm giới hạn. Với những hạt nh


Hình 1.2 - Bảng nhiệt độ sấy cho phép và độ ẩm giới hạn.
1.2.
Khảo sát một số thiết bị sấy.
1.2.1. Thiết bị sấy ở Việt Nam.

1.2.1.1. Thiết bị sấy kiểu hầm.

Hình 1.3 - Thiết bị sấy kiểu hầm.
1 - phễu đa nguyên liệu 2 - Cửa thoát khí ẩm
3 - Nguyên liệu 4 - Lới sàng
5 - Cửa lấy nguyên liệu 6 - quạt 7 - Buồng sấy
8 - Buồng đốt 9 - Van dẫn hớng
Vật liệu ẩm đợc đa vào buồng sấy 7 thông qua phễu 1, trong thùng sấy
có đặt lới sàng 4. Tác nhân sấy (không khí hoặc khói lò) đợc quạt 6 thổi vào
buồng đốt 8 sau đó khí nóng đợc đa vào buồng sấy và qua sàng 4 len vào
khe hở của các hạt sấy và làm khô hạt. Hơi ẩm đợc đa ra cùng với khí nóng
qua cửa 2. Sau khi sấy khô sản phẩm đợc vận chuyển ra ngoài qua cửa thoát
5. Đây là phơng pháp sấy đợc sử dụng nhiều nhất hiện nay. Tuy nhiên độ
đồng đều không cao vì nhiệt độ đáy thùng bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ bên
trên miệng thùng.

1.2.1.2. Thiết bị sấy băng tải Hình 1.4 - Thiết bị sấy kiểu băng tải
1- Phễu đổ nhiên liệu 2- Buồng sấy 3- Băng tải
4- Quạt đẩy 5- calorife 6- Cửa xả nguyên liệu
7- Cửa thoát khí thải


ngợc chiều với chuyển động của khí sấy. Thiết bị này có khả năng sấy đều
rất cao nhng cần một hệ thống dây truyền tự động rất hiện đại và phức tạp
nên giá thành rất cao. Còn thiết bị sấy tĩnh là hạt sấy không di chuyển, khí sấy
sẽ đi vào các khe hở của các hạt và làm khô hạt. Thiết bị này rất đơn giản tuy
nhiên khả năng sấy đều không cao. Với nền kinh tế của nớc ta hiện nay thì
thờng dùng thiết bị sấy tĩnh là phổ biến.

1.3. Kết luận và giải pháp.
Qua những phân tích trên cơ sở lý thuyết trên ta thấy nông sản dạng hạt
sau khi thu hoạch cần đợc sấy khô kịp thời trong mọi tình hình thời tiết. Tuy
nhiên để đảm bảo không bị thay đổi dinh dỡng trong quá trình sấy thì mỗi
loại nông sản cần một nhiệt độ sấy nhất định. Đặc biệt với những hạt dùng
làm hạt giống thì cần có nhiệt độ sấy rất ổn định trong suốt quá trình sấy. Mặt
khác dựa vào tình hình hiện nay của nớc ta, thiết bị sấy cha nhiều hoặc cha
đảm bảo về mặt chất lợng sản phẩm sau khi sấy, thiết bị trên thế giới thì giá
thành rất cao không phù hợp với sản suất nông nghiệp của nớc ta. Thực tế
hiện nay nớc ta sử dụng phơng pháp phơi khô tự nhiên là chủ yếu và nh
vậy phụ thuộc rất nhiều vào tình hình thời tiết. Vì vậy chúng tôi tiến hành phát
triển mô hình sấy trong phòng thí nghiệm với mong muốn có thể tạo ra một
thiết bị sấy phù hợp với yêu cầu bảo quản hạt sau thu hoạch của nớc ta.
Với đề tài này chúng tôi chủ yếu đi sâu vào thiết kế phần đo và khống
chế nhiệt (phần điều khiển) còn phần thiết kế cơ khí chúng tôi không đi sâu
nên chọn mô hình cơ khí đã có sẵn. Hình 1.6 là mô hình hệ thống sấy trong
phòng thí nghiệm. Hình 1.6 - Mô hình hệ thống sấy trong phòng thí nghiệm.
1 - Quạt đẩy 2 - Dây nung 3 - Buồng đốt
4 - Cảm biến nhiệt 5 - Buồng sấy


* Tốc độ: Tốc độ lớn nhất mà bộ vi điều khiển hỗ trợ là bao nhiêu.
* Kiểu đóng vỏ: Kiểu đóng vỏ quan trọng khi có yêu cầu về không
gian, kiểu lắp ráp và tạo mẫu thử cho sản phẩm cuối cùng. Các kiểu đóng vỏ
có thể lựa chọn là kiểu 40 chân DIP (vỏ dạng 2 hàng chân), kiểu QFP (vỏ
vuông dẹt) hay là kiểu đóng vỏ khác.
* Công suất tiêu thụ: Là một tiêu chuẩn cần đặc biệt lu ý nếu sản phẩm
dùng pin hoặc ắc quy.
* Dung lợng bộ nhớ RAM hoặc ROM trên chip.
* Số chân vào ra và bộ định thời trên chip.
* Khả năng dễ dàng nâng cao hiệu suất cao hoặc giảm công suất tiêu thụ.

* Giá thành trên một đơn vị khi mua số lợng lớn: Đây là vấn đề có ảnh
hởng đến giá thành cuối cùng của sản phẩm .
Tiêu chuẩn thứ hai khi lựa chọn bộ vi điều khiển là khả năng phát triển
các sản phẩm nh thế nào. Ví dụ khả năng có sẵn các trình hợp dịch, gỡ rối,
biên dịch ngôn ngữ C , mô phỏng, điều kiện hỗ trợ kỹ thuật cũng nh khả
năng sử dụng trong nhà và bên ngoài môi trờng.
Tiêu chuẩn thứ ba là khả năng sẵn sàng đáp ứng về số lợng ở hiện tại
cũng nh ở tơng lai.
Hiện nay, trong các họ vi điều khiển 8 bit hàng đầu thì 8051 có số lợng
lớn nhất, giá thành rẻ nhất và đợc đông đảo ngời dùng yêu thích. Đồng thời
chúng cũng đáp ứng đợc rất nhiều những ứng dụng vừa và nhỏ.

2.2. Tổng quan về họ 8051.
2.2.1 Lịch sử phát triển của họ 8051.
Năm 1981, hãng Intel cho ra mắt bộ vi điều khiển đợc gọi là 8051. Bộ vi
điều khiển này có 128 byte RAM, 4K byte ROM, hai bộ định thời, một cổng
nối tiếp và bốn cổng 8 bít. Tất cả đều đợc tích hợp trên một chip. Lúc bấy giờ
bộ vi điều khiển nh vậy đợc gọi là một hệ thống trên chip. 8051 là bộ xử
lý 8 bít nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bít dữ liệu. Dữ liệu lớn hơn 8
Hình 2.2 - Sơ đồ khối của bộ vi điều khiển 8051.
Trong các phiên bản trên thì hiện nay AT89C52 là phiên bản đang đợc
sử dụng rộng rãi. Với những tính năng u việt của nó và phù hợp với mô hình
TXD
RXD
Bus
điều
khiển
4 cổng vào
r
a
Bộ tạo dao
động
Cổng nối tiếp
ROM
on chip
chơng
trình
RAM

mạnh, có tính mềm dẻo cao, giá rẻ, phù hợp ứng dụng vi điều khiển.
Các đặc điểm chủ yếu của AT89C52:
* Tơng thích hoàn toàn với họ MCS-51
TM
của Intel.
* Bộ nhớ chơng trình 8Kbytes bên trong có khả năng lập trình lại.
* Độ bền 1000lần ghi/xoá.
* Tần số hoạt động : 0Hz đến 24MHz.
* 3 chế độ khoá bộ nhớ.
* 128 x 8 - Bits RAM nội.
* 32 đờng I/O lập trình đợc (4port).
* 3 bộ Timer/Couter 16 bits.
* Hỗ trợ 8 nguồn ngắt.
* Chế độ nguồn thấp (không làm gì IDLE) và chế độ nguồn giảm.
Để hiểu một cách khái quát về cấu tạo, các thành phần bên trong của vi
điều khiển, tiếp theo sẽ giới thiệu sơ đồ khối của bộ vi điều khiển.

2.3.1. S¬ ®å khèi.
H×nh 2.3 - S¬ ®å khèi cña vi ®iÒu khiÓn.

2.3.2. Mô tả chức năng các chân.


Hình 2.5 - Sơ đồ bộ dao động ngoài sử dụng bộ dao động
thạch anh.
* RST: chân khởi động lại (RESET) .
Bình thờng chân này ở mức thấp, khi có xung cao đặt tới chân này thì bộ
vi điều khiển sẽ kết thúc mọi hoạt động hiện tại và tiến hành khởi động lại.
Quá trình xảy ra hoàn toàn tơng tự khi bật nguồn. Khi RESET mọi giá trị
trên thanh ghi sẽ bị xoá.
Khi RESET giá trị bộ đếm chơng trình PC bằng 0 và nh vậy CPU nhận
mã lệnh đầu tiên tại địa chỉ 0000 của bộ nhớ ROM. Do đó tại địa chỉ này phải
có lệnh đầu tiên chơng trình nguồn của ROM. Để RESET hiệu quả, chân
RST cần duy trì trạng thái tích cực (mức cao ) tối thiểu 2 chu kỳ.
RST
R6
4.7K
R5
100
SW1
+5V
C3
10uF

Hình 2.6 - Mạch nối chân reset của 8051
*
EA
/Vpp: truy cập bộ nhớ ngoài (External Access) là chân vào. Chân này
có thể đợc nối tới 5 V (logic 1) hoặc với GND (logic 0). Nếu chân này nối
đến 5V thì 89C52 thực thi chơng trình trong ROM nội. Nếu chân này nối với
GND (và chân
PSEN cũng ở logic 0), thì chơng trình cần thực thi chứa ở bộ